Laser-Wakefield-Beschleunigung am JETI-Einfluss der ...

2. GrundlagenAbbildung 2.6.: Die Abbildung zeigt die Simulation des Beschleunigungsprozesses im Regime deshochgradig nichtlinearen Wellenbrechens. Der Laserpuls läuft von links durch dasBild und verdrängt die Elektronen komplett. Es bildet sich ein Bereich, der freivon Elektronen ist, die Bubble. Die Elektronen, die nicht transversal weggestreutwerden, sammeln sich am hinteren Ende der Bubble, wo einige injiziert werden.An der Spitze des injizierten Elektronenpakets sind einige Elektronen mit hoherEnergie zu erkennen. Sie bilden den quasimonoenergetischen Anteil im Spektrum.(a) zeigt die Bubble für ct/λ = 500, (b) für ct/λ = 700. Ein Vergleich derBilder zeigt die Zunahme der Elektronenenergie und die Verlängerung der Bubbleim Verlauf des Beschleunigungsprozesses. Der quasimonoenergetische Peakbleibt dabei bestehen. (Abbildung von Pukhov et al. 3 )puls schafft durch die ponderomotive Kraft einen Bereich, in dem sich nur noch wenige biskeine Elektronen mehr befinden. Der Verlauf des Beschleunigungsprozesses ist stark vonParametern wie der Elektronendichte im Plasma und der Pulsdauer des Lasers abhängig.Pukhov et al. 3 unterscheiden drei Regime der Laser-Wakefield-Beschleunigung.Für kurze Laserpulse mit hoher Pulsenergie wird ein Regime des hochgradig nichtlinearenWellenbrechens in 3D-PIC-Simulationen beobachtet. Der Laserpuls kann alleElektronen verdrängen und hinterlässt eine Bubble, die frei von Elektronen ist (vergleicheAbbildung 2.6. Ein Großteil der verdrängten Elektronen wandert am Rand derBubble zu deren hinterem Ende, wo einige von ihnen in die Bubble gelangen und darinbeschleunigt werden. Der Laserpuls entwickelt dabei durch die in Abschnitt 2.3.3 beschriebenenEffekte eine steile Front mit einer hohen Spitzenleistung. In diesem Regimewerden Spektren mit monoenergetischen Peaks beobachtet.Ist die Energie der Laserpulse etwas geringer, können nicht alle Elektronen durch denPuls verdrängt werden. Es entsteht in der Plasmawelle eine Region mit geringer Elektronendichte,an deren Rand sich die verdrängten Elektronen ansammeln. Auch in diesemRegime werden Elektronen in den Bereich geringerer Dichte injiziert und im Feldzwischen den Elektronen am Rand und dem Ionenhintergrund beschleunigt, allerdingswerden breite Spektren beobachtet, die keinen monoenergetischen Anteil zeigen.22